Una técnica de fabricación que podría ayudar a la industria de los semiconductores a fabricar chips de computadora más potentes comenzó en el lugar más humilde:en una mesa de almuerzo en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

El método de síntesis de materiales conocido como síntesis de infiltración secuencial, o SIS, tiene el potencial de mejorar no solo la fabricación de chips, sino también cosas como el almacenamiento en disco duro, eficiencia de la célula solar, Superficies antirreflectantes en ópticas y parabrisas de automóviles repelentes al agua. Inventado en 2010 durante una conversación a la hora del almuerzo entre los científicos de Argonne Seth Darling y Jeffrey Elam y dos de sus investigadores postdoctorales, El uso del método ha aumentado en los últimos años.

El método se basó en la discusión del grupo sobre la deposición de la capa atómica, o ALD, una técnica de deposición de película delgada que utiliza vapores químicos alternos para hacer crecer los materiales una capa atómica a la vez. Querida, director del Instituto de Ingeniería Molecular de Argonne y del Centro de Investigación de la Frontera Energética de Materiales Avanzados para Sistemas Energía-Agua, Recientemente usé esa técnica para agregar un recubrimiento de óxido metálico amante del agua a los filtros utilizados en la industria del petróleo y el gas que evita que los filtros se obstruyan.

Pero mientras el grupo hablaba, comenzaron a especular sobre llevar ALD a un nuevo nivel, dijo Darling.

"Dijimos, '¿No sería estupendo si pudiéramos cultivar un material dentro de otro material como un polímero (una cadena de muchas moléculas combinadas) en lugar de encima de él?' ", Dijo Darling. trabaja, ' pero, asombrosamente, funcionó a la perfección en el primer intento. Luego comenzamos a imaginar todas las diferentes aplicaciones para las que podría usarse ".

La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE, Programa de Ciencias de la Energía Básica, así como el Centro de Investigación de Energía Solar Argonne-Northwestern, un Centro de Investigación Fronterizo de Energía financiado por la Oficina de Ciencia del DOE.

SIS es similar a ALD en una superficie de polímero, pero en SIS el vapor se difunde en el polímero en lugar de sobre él, donde se une químicamente con el polímero y eventualmente crece para crear estructuras inorgánicas en todo el volumen del polímero.

Usando esta técnica, Los científicos pueden crear recubrimientos robustos que pueden ayudar a la industria de fabricación de semiconductores a grabar características más complejas en chips de computadora. permitiéndoles hacerse aún más pequeños o agregar almacenamiento adicional y otras capacidades. También pueden adaptar la forma de varios metales, óxidos y otros materiales inorgánicos aplicándolos a un polímero con SIS y luego eliminando los restos del polímero.

"Puede tomar un patrón en un polímero, exponerlo a los vapores y transformarlo de un material orgánico en un material inorgánico, "dijo Elam, director del programa de investigación ALD de Argonne, refiriéndose a la forma en que el método puede usar polímeros y un vapor para moldear básicamente un nuevo material con propiedades específicas. "Es una forma de utilizar un patrón de polímero, y convertir ese patrón en prácticamente cualquier material inorgánico ".

El potencial de la tecnología va más allá de los semiconductores. Podría usarse para promover productos en diferentes industrias, y Argonne estaría encantado de trabajar con socios de comercialización que puedan tomar la invención e incorporarla en productos existentes, o inventar nuevas aplicaciones para beneficiar la economía de EE. UU. dijo Hemant Bhimnathwala, ejecutivo de desarrollo empresarial en Argonne.

"Puede utilizar SIS para crear una película, puedes ponerlo en un metal, puede crear esto en vidrio o ponerlo en un parabrisas de vidrio para que sea repelente al agua hasta el punto en que no necesite limpiaparabrisas, "Dijo Bhimnathwala.

La forma en que los científicos inventaron la técnica, a través de esa reunión del almuerzo, también fue un poco inusual. Los nuevos descubrimientos a menudo surgen por accidente, pero no por lo general escupiendo ideas durante el almuerzo, Dijo Elam.

"De vez en cuando, si miras con atención puedes ver algo más allí y descubrir algo nuevo e inesperado, ", Dijo Elam." Eso no sucede muy a menudo, pero cuando lo hace es genial."

La técnica también aborda una preocupación específica en la industria de fabricación de semiconductores, colapso del patrón, lo que significa el colapso de pequeñas funciones utilizadas para crear componentes eléctricos en un chip de computadora, haciéndolo inútil.

Cuando se graba un patrón en un chip de silicio en el proceso de fabricación del chip, Se utiliza una superficie resistente al grabado como revestimiento protector para enmascarar aquellas regiones que no desea eliminar. Pero los recubrimientos resistentes al grabado que se usan comúnmente en la actualidad se desgastan muy rápidamente, lo que ha impedido que los fabricantes de chips fabriquen componentes con características profundamente grabadas, Dijo Darling.

Con SIS, Los recubrimientos de vapor inorgánico se pueden diseñar para brindar una mayor protección de las características verticales, permitiendo grabados más profundos y la integración de más componentes en cada chip.

"Las características de los chips se han vuelto extremadamente pequeñas lateralmente, pero a veces también quieres hacerlos altos, "Darling dijo." No puedes hacer un rasgo alto si tu resistencia se borra rápidamente, pero con SIS es fácil ".

Similar, la técnica se puede utilizar para manipular la grabación magnética en discos duros u otros dispositivos de almacenamiento, permitiéndoles aumentar el almacenamiento al mismo tiempo que se hacen más pequeños, Dijo Darling.

Otra posibilidad de la tecnología es controlar la cantidad de luz que rebota en una superficie de vidrio o plástico. Usando SIS, los científicos pueden diseñar superficies para que sean casi en su totalidad no reflectantes. Usando esta estrategia, los científicos pueden mejorar el rendimiento de las células solares, LEDs e incluso anteojos.

"También hay muchas aplicaciones en electrónica, " Elam said. "You can use it to squeeze more memory in a smaller space, or to build faster microprocessors. SIS lithography is a promising strategy to maintain the technological progression and scaling of Moore's Law."

The team's research on the technology has been published in the Journal of Materials Chemistry , los Revista de química física , Materiales avanzados y el Journal of Vacuum Science &Technology B .

Argonne is looking for commercial partners interested in licensing and developing the technology for more specific uses. Companies interested in leveraging Argonne's expertise in SIS should contact [email protected] to learn more and discuss possible collaborations.